авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННО Е АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖ ДЕНИ Е ВЫСШ ЕГО ПРОФ ЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУ ДАРСТВ ЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ...»

-- [ Страница 2 ] --

7. В известных исследованиях, посвященных параллельному анализу спектра, вопрос о связи между математическим и физическим спектром не ставился и не обсуждался.

2 Элементы теории линейных систем и теории сигналов в задачах аппаратурного гармонического анализа Большая роль спектроскопических методов при решении задач контроля процессов горения требует разработки новых методов и принципов анализа спектров оптических сигналов и хорошо разработанной теории спектральных измерений, в частности в оптическом диапазоне.

2.1 Постановка задачи Анализ спектра оптического излучения относится к одному из двух основных классов обратных задач в оптике, целью которых является получение информации о временных изменениях, т.е. о динамике функций источников (очагов горения) или временных частотных спектрах [54]. Иными словами, речь идет об измерении спектров колебательных явлений оптического диапазона, причем согласно существующему подходу оптической спектрометрии [3, 4, 35, 37, 38] анализируемые сигналы в оптическом диапазоне описываются скалярными функциями, несмотря на векторную природу электромагнитного поля [55].

Важнейшей задачей теории спектральных измерений является установление связи между спектром истинным и спектром, получаемым с помощью измерительной спектральной аппаратуры. Под истинным или теоретическим спектром понимается спектр в математическом смысле, а спектр, получаемый с помощью спектрометра – прибора контроля, мыслится как физический [56], т.е. аппаратурный. В случае решения задачи контроля процесса горения: истинный спектр излучения пламени отражает истинное состояние контролируемого процесса горения, аппаратурный спектр – спектр излучения пламени, получаемый с помощью прибора контроля и дающий спектроскопическую информацию получателю об этом процессе горения.

Установление связи между математическим и физическим спектрами представляет собой содержание одной из важнейших теорем теории колебаний и волн [56], и эта связь является базой теории спектральных измерений, независимо от диапазона анализируемых частот и принципов действия спектрального прибора. И в данной работе рассматривается обработка сигналов не во временном пространстве, как это принято в теории динамических систем, а обработка спектральных функций динамических сигналов.

Понятие математического спектра дается в рамках теории рядов и интегралов Фурье [11], где аргументами спектральных функций являются частоты. Поэтому в данной работе, как и в случае радиочастотных спектральных измерений, в теорию оптической спектрометрии математические спектры вводятся как комплексные и энергетические спектральные функции, принятые в теории сигналов [16, 17]. Эти спектры определяются как функции частоты, а не длины волны, как принято в оптике.

Это соответствует общей тенденции дальнейшего освоения оптического диапазона, что связывается с перенесением на него хорошо развитых методов радиофизики и радиотехники [57]. Такое направление научных исследований получило название радиооптики [19]. Термином радиооптика характеризуется определенный подход к решению весьма широкого класса задач, объединяющий хорошо разработанный в теоретической радиотехнике аппарат преобразования сигналов и спектрального анализа с традиционными оптическими приложениями и, наоборот, проникновение известных оптических методов в обработку радиосигналов [19].

Соединив в себе возможности, как радиотехники, так и оптики, радиооптика способна решать задачи, непосильные по отдельности ни радиотехнике, ни оптике.

Математическая теория гармонического (спектрального) анализа рассматривается в классе линейных преобразований [11]. Поэтому естественным направлением исследования, в рамках которого представляется возможным установление связи между математическим и физическим спектрами, является применение методов теории линейных систем [12, 13, 15] и теории сигналов [16, 17] к теории спектральных измерений.

Основной задачей теории линейных систем является установление связи между входом и выходом системы и в связи с этим определение ее исчерпывающей характеристики, которая бы наиболее просто и вместе с тем полно устанавливала бы эту связь [12].

В данной диссертационной работе под оптическим спектрометром, который является прибором контроля, понимается информационная измерительная система [58], структурная схема которой приведена на рисунке 11.

ФО – формирующая оптика;

АКС – анализатор комплексного спектра;

ДС – детектирующая система;

БОСИ – блок обработки спектроскопической информации Рисунок 11 – Структурная схема оптического спектрометра как информационной измерительной системы В данной работе разработан оптический спектрометр, состоящий из n параллельных каналов, поэтому информационная измерительная система, изображенная на рисунке 11, должна быть рассмотрена как многоканальная система.

Анализатор комплексного спектра представляет собой резонаторную систему многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона и является его анализирующей частью. Он состоит из волоконно оптического жгута и набора резонаторных блоков. Выходом анализатора комплексного спектра является комплексный спектр, который подлежит дальнейшей обработке детектирующей системой спектрометра для получения энергетического спектра, который является результатом спектрального анализа в оптическом диапазоне и отражает состояние контролируемого процесса горения. Детектирующая система состоит из набора фотоприемников, каждый из которых подключен к соответствующему резонаторному блоку.

Такой подход дает строгое описание прохождения анализируемого оптического сигнала, отражающего состояние контролируемого процесса горения, через все узлы спектрального прибора, что, в конечном счете, дает решение основной задачи теории спектральных измерений.

В процессе описания спектральных измерений аппаратурные комплексные спектры рассматриваются как первичные, а энергетические как вторичные, полученные в результате дальнейшей обработки комплексных спектров [59]. Исчерпывающая характеристика многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона вводится как аппаратная функция.

2.2 Радиооптический подход В данной диссертационной работе радиооптический подход понимается с точки зрения, отличной от традиционной, изложенной в работах [60, 61, 62], и являющейся основополагающей в известных разделах радиооптики. Исходные разделы радиооптики базируются на операционном методе решения задач с помощью преобразования Фурье и методов теории обобщенных функций [62]. Результатом развития исходных разделов радиооптики явилось перенесение идей и методов описания и обработки динамических сигналов линейными радиотехническими цепями в оптику.

Это осуществлялось путем замены временных соотношений, описывающих представление и обработку динамических радиосигналов на пространственные соотношения, описывающие линейные преобразования статических сигналов (оптических изображений) оптическими системами.

Речь идет о замене характерных для радиотехники таких переменных как время и временная частота на пространственные координаты и пространственные частоты, соответственно. В результате появились такие понятия как импульсная характеристика слоя свободного пространства и его передаточная функция, пространственные модуляторы (решетки и пр.) [62, 63].

В данной работе представлены материалы, отражающие дальнейшее развитие радиооптики, которое характеризуется перенесением идей и методов параллельного анализа спектров, известных в радиотехнике, в теорию и практику оптической спектрометрии. Речь идет о попытке переноса идей и методов обработки динамических сигналов радиодиапазона на обработку динамических сигналов оптического диапазона. Кроме того, применяются понятия комплексного спектра и частотных функций при спектральной обработке сигналов оптического диапазона.

Разрабатываемый таким образом единый подход может быть использован при описании действия спектральных приборов, как радио -, так и оптического диапазонов.

Сказанное подразумевает радиооптический подход к решению поставленной задачи и его дальнейшее развитие.

2.3 Модель анализируемого оптического сигнала Постановка вопроса о модели сигнала в теории оптических спектральных измерениях не обнаружена, поэтому этот вопрос рассматривается на основе известных моделей радиосигналов [64, 65].

Измерительный процесс является видом информационного процесса, поэтому измеряемые величины и функции должны описываться в терминах теории вероятностей, т.е. адекватной моделью анализируемого сигнала, который характеризует состояние контролируемого процесса горения, является случайный процесс. При этом возможны два пути установления связи между математическим и физическим спектрами. Первый путь заключается в установлении связи вход-выход спектрального прибора при воздействии случайного процесса [66]. Второй путь состоит в исследовании обработки реализации случайного процесса спектральным прибором [67].

В общем виде в качестве модели случайного процесса следует взять гармонизуемый случайный процесс, представимый в форме интеграла Фурье – Стилтьеса [68]:

(6) exp(it ) dF ( ), X (t ) 2 где – временная угловая частота;

F() – произвольная монотонно неубывающая функция аргумента.

Случайному процессу (6) соответствует стохастическая однородная плоская скалярная волна, в реальных условиях усеченная по пространственным координатам:

z (7) X (t, z ) Dxy X (t ), c где Dxy – апертурная диафрагма, выполняющая пространственное усечение однородной плоской волны в плоскости, нормальной ее распространению;

z– направление распространения волны;

c – скорость распространения волны.

Волна (7) несет информацию о динамике функций источников, т.е.

является носителем спектроскопической информации о контролируемом процессе горения. Представление носителя спектроскопической информации в оптическом диапазоне в форме скалярной однородной плоской волны полностью соответствует общим принципам оптической спектрометрии, например [3, 4, 35, 36, 37, 38], что отмечалось выше.

В общем случае случайная спектральная функция F() в соотношении (6) не являются дифференцируемой. Примером является стационарный случайный процесс, который хорошо описывает колебания большинства оптических источников [69]. В условиях реального физического эксперимента время T взаимодействия контролируемого процесса и прибора контроля всегда ограничено. Поэтому анализируемые сигналы должны рассматриваться как финитные, в частности как результат усечения во времени некоторого другого случайного процесса Y(t) большей длительности X (t ), t [t1, t 2 ], (8) X T (t ) Y (t ) (t ) t [t1, t 2 ] 0, где T=t2-t1;

(t ) - характеристическая функция промежутка [t1,t2];

т.е.

1, t [t1, t 2 ] (9) (t ), 0, t [t1, t 2 ] Финитный нестационарный случайный процесс X T (t ), также является гармонизуемым, и представим в форме интеграла Фурье-Стилтьеса [65]:

exp(it )dZ ( ), (10) X T (t ) 2 где Z() – случайная спектральная функция.

Z() Случайная спектральная функция в соотношении (10) дифференцируема почти наверное, т.е. на всем множестве реализаций существует с вероятностью единица комплексная случайная спектральная функция [65] dZ ( ) (11) S( ) d В условиях реального физического эксперимента одна из реализаций k S() ансамбля (11) является математическим спектром, который следует связать со спектром физическим.

k k S() x(t) Спектральной реализации соответствует реализация нестационарного случайного процесса (10) k k S ( ) exp(it )d, (12) x (t ) 2 где T k k (13) S ( ) x(t ) exp(it )dt T - реализация комплексной спектральной функции из ансамбля (11), которая, являясь преобразованием Фурье реализации случайного процесса kx(t), т.е.

математическим спектром, подлежит дальнейшей обработке спектральным прибором.

Поскольку, в оптическом диапазоне все сигналы-переносчики спектроскопической информации существуют исключительно в виде излучений, то при постановке вопроса спектральных измерений в этом k x(t) соответствует модель диапазоне реализации случайного процесса анализируемого оптического сигнала в форме однородной плоской усеченной волны (волнового пучка с плоским фронтом), которая, согласно соотношению (7), запишется как z V k x (t ) Dxy k x (t ), (14) c в дальнейшем верхние индексы будут опущены, и под реализацией случайного процесса kx(t) понимаются колебания электрической компоненты оптического излучения, т.е. k x (t ) e(t ).

В соотношении (14) V – линейный ограниченный оператор перехода от колебательного процесса к волне вводится следующим образом [59]:

z z (15) Ve(t ) Dxy e(t ) (t t )dt Dxy e(t ), c c Волновой пучок (14), выдающий спектроскопическую информацию о динамике функции источников, т.е. о спектральных функциях оптических колебаний, падает на спектральный прибор с апертурой Dxy. Эта информация извлекается непосредственно из волны (14) и проявляется на выходе фотодетекторов. В этом заключается существенное отличие действия спектральных приборов оптического диапазона – волновых анализаторов, названных так, потому что они специально приспособлены для анализа волн, падающих на анализатор [50], от анализаторов спектра радиосигналов, где в качестве анализируемых сигналов рассматриваются колебательные явления в форме электрического тока или напряжения, в частности, формируемые с помощью приемной антенны.

2.4 Интеграл суперпозиции для спектрального прибора В теории систем существует два подхода к описанию системы:

микроподход и макроподход [70]. Микроподход предполагает, что известна структура системы, а макроподход рассматривает систему как «черный ящик». В теории спектральных измерений спектральный прибор рассматривается в рамках макроподхода [30, 66].

Абстрактная линейная система, как «черный ящик», осуществляет линейное преобразование, которое в общем смысле дается выражением:

(16) y ( ) Lx ( ) где L – линейный ограниченный оператор;

x(), y( ) – вход и выход линейной системы, соответственно.

Соотношение (16) имеет весьма общий характер и не может быть применено к описанию передачи сигнала линейной системой при решении ее основной задачи, т.е. установлении связи между входом и выходом системы на основе определения ее исчерпывающей характеристики. Под такой характеристикой в теории линейных систем понимается отклик системы на соответствующее – воздействие [21].

В 1935 году создатель математического аппарата квантовой механики Дж. фон Нейман сформулировал проблему представления линейного оператора в (16) в форме интегрального [71], т.е. интеграла суперпозиции (17) y ( ) Lx ( ) A(, ' ) x ( ' )d ', где ядро интеграла суперпозиции A(,), функция–прообраз x() и y() отображение являются абстрактными функциями абстрактных аргументов.

Решение этой проблемы на математическом уровне строгости было получено только к середине 70-х годов [71], до этого применялись эвристические методы, например [14, 30]. Причем при решении этой проблемы не был определен смысл ядра, необходимый для теории линейных систем. В связи с этим вопрос о представлении линейного оператора в форме интегрального был пересмотрен [72, 73]. В результате чего, была математически корректно заново установлена основная интегральная связь теории линейных систем в форме (17) с целью определения математического смысла аппаратной функции в форме действия линейного ограниченного оператора L на – функцию (18) A(, ) L ( ), где A(,) – аппаратная функция линейной системы.

Физически это означает, что аппаратная функция рассматривается как реакция линейной системы на соответствующее – воздействие, и является исчерпывающей характеристикой этой системы, что полностью согласуется с теорией линейных систем [21].

Роль аппаратной функции имеет исключительное значение и в теории линейных систем, и в теории оптических спектральных приборов, в частности. Аппаратная функция является ядром линейного интегрального оператора (2) и (17) и позволяет установить связь вход – выход спектрального прибора, как линейной системы. А в случае спектрального прибора оптического диапазона аппаратная функция, как реакция прибора на монохроматическое излучение, позволяет определить важнейшую его характеристику – разрешающую способность.

В настоящее время – функция является широко распространенным математическим объектом и используется во многих физико-технических приложениях. Введение – функции позволило ясно и коротко сформулировать смысл функции Грина [74], под которой понимается импульсная реакция, применяемая при описании линейных динамических систем, в том числе электрических и радиотехнических цепей, функцию влияния при анализе механических систем (струна, изгиб балки) [75]. Кроме того – функция является известной моделью при описании плотности точечного электрического заряда и плотности точечной массы [76].

В теории спектральных измерений – функция имеет специфический характер, и у нее нет наглядного представления в отличие от – функций, упомянутых выше, и она может быть введена формально следующим образом:

( ' ) F expi ' t, (19) где F – оператор прямого преобразования Фурье.

Соотношение (19) объясняет, почему при анализе спектра колебательных явлений аппаратная функция радиочастотных анализаторов спектра определяется как реакция прибора на гармоническое колебание expi' t [47, 48, 49]. Тогда аппаратная функция анализатора спектра, выполняющего измерения комплексного спектра колебательного процесса, определяется следующим образом:

A(, ' ) S o F 1 ( ' ), (20) где – линейный ограниченный оператор, описывающий действие So собственного радиочастотного анализатора спектра, как линейной системы.

Далее, необходимо определить линейный оператор L в соотношении (18) для анализатора комплексного спектра, входящего в состав спектрометра оптического диапазона. Усеченная однородная плоская монохроматическая волна единичной амплитуды с учетом соотношения (15) записывается в форме D xy exp[i ( ' t kz )] VF 1 ( ' ), (21) и в случае спектральных измерений, оператор L в соотношении (18) с учетом соотношения (21) дается выражением L S w VF 1, (22) где S w – линейный ограниченный оператор, описывающий действие анализатора комплексного спектра, как линейной системы, т.е.

преобразование однородной плоской волны анализатором.

В соотношении (22) произведение линейных ограниченных операторов дает линейный ограниченный оператор [77], что соответствует постановке задачи преобразования линейной системы в самой общей форме (16).

С учетом соотношения (22) аппаратная функция определяется как (23) A(, ' ) S w V F 1 ( ).

Из выражения (23) виден смысл аппаратной функции анализатора комплексного спектра, как реакции на – воздействие, что соответствует теории линейных систем. Аппаратная функция (23) определяет однократный анализ спектра.

2.5 Переменные во времени спектры При реальных измерениях происходит взаимодействие спектрального прибора с анализируемой реализацией случайного процесса в реальном времени, поэтому анализ спектра выполняется на нестационарном промежутке времени. Под нестационарным промежутком времени понимается отрезок, у которого одна или обе границы являются функциями текущего времени. Это обстоятельство требует формальное введение спектров переменных во времени [50]. Так в монографии [50] вводятся текущий и мгновенный спектры.

Как отмечалось выше, текущий спектр вводится в форме t S (, t ) s( ) e i d, (24) t а мгновенный спектр определяется в виде STa (, t ) r ( t ) s( ) e i d, (25) где Ta - время анализа, r ( t ) - весовая функция, которая определяется как Ta Ta 1, t [t 2 ;

t 2 ] (26) r (t ).

T T 0, t [t a ;

t a ] 2 Мгновенный спектр определен как спектр отрезка процесса длительность Ta, т.е. интервал анализа имеет постоянную длину, но перемещается по оси времени. Таким образом, мгновенный спектр, рассматривается в условиях «протягивания» временного окна r ( t ) по оси времени.

Помимо введенных переменных во времени спектров в теорию спектральных измерений в работе [50] целесообразно определить еще два спектра: выборочный и мгновенный, установленный в новой форме. Как отмечал А.А. Харкевич, мгновенный спектр может определяться по-разному, например, в зависимости от способа действия измерительной аппаратуры [50].

Под выборочным спектром понимается анализ спектра на дискретной последовательности конечных временных интервалов. Идея введения такого спектра показана на рисунке 12 [78].

Рисунок 12 – Идея введения выборочного спектра Выборочный спектр следует определить в виде Ta nTa s(t ) e it dt it (27) S n (, t n ) r (t )s(t ) e dt, n T a nTa где tn nTa ;

rn(t) – временное окно Ta Ta 1, t [ 2 nTa ;

2 nTa ] (28) rn (t ).

T T 0, t [ a nTa ;

a nTa ] 2 Введенный таким образом выборочный спектр соответствуют действию следующих спектральных приборов: последовательных анализаторов спектра радиодиапазона [45, 51], и дисперсионно-временных анализаторов спектра, действие которых основано на явлении дисперсии фазовой скорости в замедляющих системах [79]. Понятие выборочного спектра при анализе сигналов оптического диапазона предложено в работах [80, 81].

Мгновенный спектр, который вводится в виде, отличном от предложенного в работе [50], рассматривается в условиях «протягивания»

колебания s(t) мимо временного окна, и его можно определить как Ta i (29) S М (, t ) s( t ) e d T a Ta Произведем замену переменных t x, dx d, и xН t Ta t. Далее, сделав соответствующие математические выкладки, xВ получим:

Ta t * S М (, t ) e it ix dx e it STa (, t ) (30) s( x ) e T t a Это значит что спектр, полученный в результате «протягивания»

анализируемого процесса мимо зафиксированного во времени окна, является комплексно-сопряженным спектром анализируемого процесса умноженный на функцию exp it. Введенный таким образом мгновенный спектр соответствуют действию акустооптического анализатора спектра радиосигналов [48, 49]. По этой причине утверждение, что акустооптический анализатор спектра радиосигналов вычисляет мгновенный спектр в соответствии с определенным в работе [50] мгновенным спектром [82] является некорректным.

Из вышесказанного следует, что временная зависимость аппаратурных спектров Sa(,t) определяется спецификой действия спектрального прибора, что, в конечном счете, определяет аппаратную функцию.

Отсюда следует, что аппаратная функция зависит не только от частоты, но и от времени, а связь вход-выход анализатора комплексного спектра записывается в форме интеграла суперпозиции:

(31) S a (, t ) A(, ', t ) S ( ' )d ', где A(,,t) – комплексная аппаратная функция, зависящая еще и от времени как от параметра;

Sa() – комплексный аппаратурный (физический) спектр;

S() – комплексный спектр сигнала на входе анализатора комплексного спектра, т.е. математический спектр.

Переменные в непрерывном времени спектры могут быть получены при выполнении анализа либо в пространственно-временных системах, например с помощью акустооптического анализатора спектра радиосигналов [48, 49], либо в многоканальных системах. Что касается выборочного спектра, он может быть получен при анализе одноканальной системой, например дисперсионно-временным анализатором спектра [79].

Аргументы спектральной функции могут быть как континуальным множеством значений, так и дискретным множеством, в последнем случае k.

образуется совокупность Дискретное множество аргументов спектральной функции имеет место при цифровой обработке сигнала и при обработке многоканальным спектральным прибором в виде полученных значений с каждого канала, которые являются отчетными значениями спектра.

Соотношение (31) устанавливает связь вход-выход анализатора комплексного спектра с позиции теории линейных систем.

В данной работе для решения задач контроля процессов горения разработан метод бесконтактного анализа оптических спектров, основанный на явлении резонанса в n параллельных каналах. Поэтому дальнейшее исследование преследовало цель обобщить соотношение (31) на случай параллельного анализа, т.е. преобразовать его к матричной форме.

2.6 Выводы 1. Разработан теоретический подход к анализу оптических спектров предложенным прибором контроля, опирающийся на общие положения теории сигналов, теории многомерных линейных систем, методы теоретической радиотехники, методы матричного исчисления и принципы детектирования оптических сигналов.

2. Этот подход отражает одно из направлений радиооптики и характеризуется перенесением идей и методов параллельного анализа спектров, известных в радиодиапазоне, в теорию и практику оптической спектрометрии, и применением нетрадиционных для оптики понятий комплексного спектра и частотных функций при спектральной обработке сигналов оптического диапазона. Он одинаково пригоден для описания параллельных анализаторов спектра, как радио-, так и оптического диапазонов.

3. Разработанный теоретический подход дает последовательное описание прохождения анализируемого оптического сигнала через все узлы спектрального прибора и получения энергетического спектра, несущего информацию о состоянии контролируемого процесса горения.

4. При теоретическом описании процесс анализа спектра оптических сигналов было предложено разделить на два этапа: анализ комплексного спектра с помощью анализатора комплексного спектра, входящего в состав спектрального прибора, и последующая обработка полученного комплексного спектра детектирующей системой прибора для получения энергетического спектра. Такое разделение позволило дать последовательный анализ прохождения сигнала через прибор.

5. Вследствие того, что анализ спектра принадлежит категории информационных процессов, измеряемые величины и функции должны быть описаны в терминах теории вероятностей, при этом в качестве адекватной модели анализируемого оптического излучения был принят гармонизуемый случайный процесс, который характеризует состояние контролируемого процесса горения.

6. Показано, что в случае анализа спектра в оптическом диапазоне аппаратная функция спектрального прибора определяется как его реакция на однородную плоскую монохроматическую волну, и аппаратную функцию анализатора комплексного спектра, следует рассматривать как действие линейного ограниченного оператора на – воздействие в частотной области, что полностью согласуется с теорией линейных систем.

7. Помимо общепринятых в теории спектральных измерений переменных во времени спектров [50] введены еще два спектра: выборочный и мгновенный, который определен в виде отличном от предложенного в работе [50], и установлена связь между этими двумя мгновенными спектрами.

8. Полученный интеграл суперпозиции для анализатора комплексного спектра устанавливает связь вход-выход анализатора с позиции теории линейных систем. Дальнейшее исследование преследует цель обобщить полученное соотношение на случай параллельного анализа, поскольку в данной работе для решения задач контроля процессов горения разработан метод бесконтактного анализа оптических спектров, основанный на явлении резонанса в n параллельных каналах.

9. Основные результаты данного раздела опубликованы в работах [7], [9], [32], [59], [67], [81], [83] и [84].

3 Резонансный метод бесконтактного параллельного анализа оптических спектров Принцип построения прибора контроля в форме многоканального спектрометра оптического диапазона, реализующего разработанный метод, впервые был предложен в патенте РФ [10]. В этом приборе спектральное разложение выполняется путем использования набора оптических резонаторов в n параллельных каналах. Волоконно-оптический жгут, используемый для ввода оптического излучения в резонаторы, позволяет перенести прибор на безопасное для него расстояние от очага горения, тем самым, исключив непосредственный контакт с полем излучения пламени.

3.1 Многоканальный резонаторный спектрометр оптического диапазона Структурная схема многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона приведена на рисунке 13 [67, 85].

ИИ – источник оптического излучения;

ФО – формирующая оптика;

ВОЖ – волоконно-оптический жгут;

РБ – резонаторные блоки;

Ф – фотоприемники;

БОСИ – блок обработки спектроскопической информации;

Р – регистратор;

S() – комплексный спектр излучения на входе спектрометра;

Sa(,t) – комплексный аппаратурный спектр;

Gk(k) – энергетический спектр оптического излучения получаемый спектрометром Рисунок 13 - Структурная схема многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона Совокупность оптических волокон и резонаторных блоков образуют анализатор комплексного спектра, т.е. резонаторную систему многоканального спектрометра оптического диапазона, а набор фотоприемников – детектирующую систему.

Функциональная схема одного канала анализа спектра многоканального спектрометра приведена на рисунке 14.

1 – выходной торец волоконно-оптического жгута, 2 - первая коллимирующая линза, 3 – резонатор, 4 – вторая коллимирующая линза, 5 – фотоприемник Рисунок 14 – Функциональная схема одного канала анализа спектра многоканального спектрометра Первая коллимирующая линза, резонатор и вторая коллимирующая линза образуют резонаторный блок.

Линза 2 преобразует расходящийся пучок оптического излучения, исходящий из торца оптического волокна, в параллельный пучок. Линза фокусирует падающий на нее параллельный пучок, прошедший фильтрацию, на фотоприемник детектирующей системы, как показано на рисунке 14.

Многоканальный резонаторный спектрометр работает следующим образом: оптическое излучение, несущее спектроскопическую информацию о контролируемом процессе горения, поступает на формирующую оптику. В ее фокальном пятне расположен общий входной торец волоконно-оптического жгута выполненного из n оптических волокон, его другой конец разделен на n отдельных волокон. По волоконно-оптическому жгуту оптическое излучение передается на заданное расстояние от очага горения и поступает в резонаторные блоки, выполняющие спектральное разложение с помощью резонаторов оптического диапазона, которые настроены на определенную частоту (длину волны). Далее оптический сигнал поступает в детектирующую систему, где оптическое излучение преобразовывается в электрический сигнал с помощью фотоприемников и подается на вход блока обработки спектроскопической информации. Задача этого блока состоит в считывании уровней сигналов, поступающих с каждого фотоприемника, и отображении спектроскопической информации о контролируемом процессе горения в воспринимаемом оператором виде на регистраторе, например, на осциллографе [83].

В оптическом диапазоне резонаторная система многоканального спектрометра включает набор резонаторов с распределенными параметрами и, каждый из которых имеет множество резонансов. Всякую систему с распределенными параметрами можно рассматривать как сосредоточенную с достаточно большим числом степеней свободы. В отношении частотного спектра любая распределенная колебательная система эквивалентна совокупности сосредоточенных колебательных систем с одной степенью свободы, каждая из которых имеет собственную частоту, совпадающую с одной из собственных частот распределенной системы [86]. Каждая из таких систем должна рассматриваться как колебательный контур, представляющий собой резонатор с сосредоточенными параметрами. В оптическом диапазоне за счет особой конструкции резонатора добиваются того, чтобы он представлял собой систему эквивалентную системе с сосредоточенными параметрами, т.е. колебательному контуру.

Переход от распределенной системы к эквивалентной системе с сосредоточенными параметрами позволяет далее рассматривать анализ колебательного процесса e(t), и соотношение (23) перепишется следующим образом:

A(, ' ) S w F 1 ( ' ). (32) Радиотехническую аналогию элемента резонаторной системы многоканального спектрометра можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рисунке 15.

1 – четырехполюсник с коэффициентом передачи, описывающим частотные свойства оптического волокна;

2 – колебательный контур, описывающий фильтрующие свойства резонатора Рисунок 15 – Структурная схема радиотехнической аналогии элемента резонаторной системы многоканального спектрометра Согласно терминологии принятой в оптике резонатор оптического диапазона называется узкополосным интерференционным оптическим фильтром. Он, как правило, построен по схеме интерферометра Фабри – Перо, который образован двумя зеркалами, расположенными параллельно друг другу на некотором расстоянии [87]. Резонатор оптического диапазона также образован двумя зеркалами, расположенными на одной подложке и разделёнными слоем диэлектрика. Схема такого резонатора показана на рисунке 16.

0 – угол падения света на резонатор, 1 – угол распространения излучения в разделительном слое толщиной d1 и показателем преломления n1, m – угол распространения света в подложке, З1 и З2 – зеркала Рисунок 16 – Схема резонатора оптического диапазона В качестве зеркал могут выступать слои металла, диэлектрические четвертьволновые зеркала, или слои диэлектрика, работающие при углах падения больших критического [87].

Спектральная характеристика резонатора, т.е. спектральная зависимость коэффициента пропускания T резонатора от длины волны (частоты), приведена на рисунке 17.

Рисунок 17 – Спектральная характеристика резонатора оптического диапазона Для описания спектральной характеристики резонатора оптического диапазона вводится понятие полуширины резонатора 0,5 [87]. Аналогично определению полуширины по мощности в радиофизике и радиотехнике, это – спектральная ширина резонатора на уровне 0,5Tmax.

Теоретическая спектральная характеристика резонатора оптического диапазона практически совпадает с квадратом теоретической АЧХ одиночного колебательного контура.

3.2 Теоретический анализ работы резонаторной системы многоканального спектрометра оптического диапазона Полученное в предыдущем разделе данной диссертационной работы соотношение (31), как отмечалось, устанавливает связь вход-выход одноканального анализатора комплексного спектра. В случае многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона его резонаторная система является многомерной линейной системой, поэтому необходимо представить оператор S из соотношения (23) в виде адекватном параллельному анализу. Следовательно, соотношение, устанавливающее связь вход - выход такой системы, должно быть получено в матричной форме.

Традиционно теория многомерных линейных систем применялась к описанию динамических систем [12, 13, 15]. К описанию многоканальных спектрометров теория многомерных линейных систем применена впервые.

Структурная схема многомерной линейной системы в общем случае (со связанными каналами) приведена на рисунке 18 [88].

Рисунок 18 – Структурная схема многомерной линейной системы со связанными каналами В общем случае передача сигнала многомерной линейной системой со связанными каналами, например [88], описывается следующим образом:

H 1n y1 H 11 H 12 x H 22 H 2 n y2 H 21 x (33), H n 2 H nn yn H n1 xn где ||yj||– матрица-столбец выходов;

||Hii|| – передаточная матрица многомерной линейной системы, которая является ее исчерпывающей характеристикой;

||xj|| – матрица-столбец входов.

Резонаторная система многоканального спектрометра является многомерной линейной системой без перекрестных связей между каналами, которая называется автономной системой [88], и свойства такой системы характеризуются диагональной матрицей [88]. С учетом выражений (31) и (33) спектральная обработка сигнала резонаторной системой такого спектрометра определяется следующим образом:

Sa1 (, t ) A11 (1, ', t ) S ( ' ) 0 0 S (, t ) S ( ' ) A22 (2, ', t ) 0 0 a2 d ', (34) Akk (k, ', t ) S ak (, t ) S ( ' ) 0 0 Ann (n, ', t ) S ( ' ) S an (, t ) 0 0 где ||Sak(k,t)|| – матрица-столбец, описывающая отсчетные значения комплексного спектра анализируемого излучения;

Akk(k,,t) – «парциальная»

аппаратная функция k-го канала резонаторной системы, т.е. отсчетное значение аппаратной функции анализатора комплексного спектра, определяемой диагональной матрицей;

||S (’)|| - матрица-столбец, описывающая комплексного спектра анализируемого излучения на входе.

Выражение (34), устанавливающее связь между истинным комплексным спектром, отражающим истинное состояние контролируемого процесса горения, и получаемым комплексным спектром на выходе резонаторной системы многоканального спектрометра, впервые введено в данной диссертационной работе.

k-го Комплексная «парциальная» аппаратная функция канала резонаторной системы определяется как [59, 67, 85] Akk ( k, ', t ) K kk ( k, ) Bkk ( ) e i t, (35) где Bkk() – передаточная функция отрезка оптического волокна, Kkk(k,) – передаточная функция k-го резонаторного блока.

Тогда матричная аппаратная функция всей системы определяется следующим образом:

diagAkk (k, ', t ) diag{K kk ( k, ' )} diag{Bkk ( ' )} e it, (36) Для определения комплексной аппаратной функции всей резонаторной системы достаточно рассмотреть обработку сигнала в одном канале резонаторной системы многоканального спектрометра оптического диапазона, т.к. принцип действия всех каналов одинаков.

Подставим соотношение (35) в равенство (31), тогда соотношение, описывающее преобразование спектра в k-ом канале, примет вид k ( k, ) Bkk ( ) S ( ' )e i t d ', (37) S ak ( k, t ) K kk k где 2k – полоса пропускания резонатора в k – ом канале спектрометра.

Применение теоремы о спектре произведения двух функций к соотношению (37) дает:

t (38) S ak (k, t ) 2 hk (t ) s( )d, где hk(t) – импульсная реакция радиотехнического аналога k-го канала резонаторной системы многоканального спектрометра.

Так как резонатор является узкополосной системой, то его импульсная реакция определяется следующим образом [53]:

hk (t ) H k (t ) eik t, (39) где Hk(t) – комплексная огибающая импульсной реакции.

В таком случае t t S ak ( k, t ) s( ) H k (t ) e ik (t ) d e ik t s( ) H k (t ) e ik d. (40) t0 t Последнее выражение в цепи (40) представляет комплексный текущий спектр с весовой функцией [59]. Следует отметить, что физически текущий спектр проявляется в форме модуляции несущего колебания exp(ikt).

Причем t U (t ) s( ) H k (t ) e ik d, (41) t где U (t ) - комплексная огибающая, которая соответствует выражению текущего спектра, полученного в работе А.А. Харкевича [50].

Разложим весовую функцию Hk(t) в ряд Тейлора:

H k (0) t H k(0) t (42) H k (t ) H k (0) 1! 2!

В нулевом приближении весовой функции Hk(t) соотношение (40) принимает вид t Sak (k, t ) eik t H k (0) s( ) e ik d. (43) t В случае многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона весовая функция H(t) имеет матричную форму. Правило суммирования матриц позволяет представить матрицу в виде ряда матриц.

Тогда в матричной форме соотношение (42) запишется следующим образом:

H (0) t H kk (0) t diagH(t) diag{H kk ( 0 )} diag{ } diag{ k (44) }...

1! 2!

Разложение (44) дает возможность оценить погрешности измерения текущего спектра реальными резонаторами.

При параллельном анализе физический спектр представляется в виде дискретных значений (отсчетов), тогда как спектр финитного сигнала на входе спектрометра, согласно теореме Винера – Пэли [21], описывается целой функцией экспоненциального типа степени T/2. Такие функции являются не только непрерывными, но и бесконечно дифференцируемыми.

Это свойство спектральной функции ставит вопрос о соотношении между анализируемым спектром и его дискретным представлением.

Названное соотношение устанавливается с помощью интерполяционной теоремы Уиттекера (теорема отсчетов), определяющей свойства преобразований Фурье финитных функций. Теорема отсчетов известна в теории связи как теорема Котельникова и доказана им для функций времени. Интерполяционная теорема Уиттекера носит общий характер и, таким образом, имеет аналог в частотной области [90]. Теорема отсчетов в частотной области утверждает следующее: если S() есть спектр функции s(t), тождественно равной нулю вне интервала T1tT2, то S() однозначно определяется последовательностью его значений в точках, отстоящих на расстоянии [90], T2 T (45) где T=T2–T1 длительность импульса.

Тогда спектр определяется как n sin T n S ( ) S (, (46) ) T n T Анализ текущего спектра выполняется на нестационарном интервале [t0, t], длительность которого непрерывно увеличивается. Иными словами, длительность обрабатываемой реализации в соответствии с (43) изменяется и непрерывно возрастает как t–t0 до значения T, это соответствует непрерывному сгущению отсчетных точек, которые определяются интервалами частот между частотами настройки резонаторов (47) (t ).

t t В реальных условиях количество резонаторов и интервал между частотами настройки резонаторов определены заранее, поэтому при t–t0 T восстановление спектра в соответствии с соотношением (45) становится невозможным.

В случае анализатора спектра радиосигналов его теоретический анализ заключается в описании процесса измерения комплексного спектра [51].

3.3 Анализ энергетического спектра оптических сигналов многоканальным резонаторным спектрометром 3.3.1 Анализ энергетического спектра оптического сигнала При оптических спектральных измерениях, как отмечалось выше, оперируют с энергетическими спектрами, поэтому получаемый на выходе резонаторной системы многоканального спектрометра комплексный спектр подлежит дальнейшей обработке его детектирующей системой.

Принимая во внимание то, что все каналы многоканального спектрометра, структурная схема которого изображена на рисунке 13, одинаковы, то достаточно рассмотреть процесс анализа энергетического спектра оптического сигнала для одного канала.

Все детекторы в оптическом диапазоне являются квадратичными, так как сила тока любого фотоприемника пропорциональна мощности падающего излучения. Таким образом, сила тока фотоприемника определяется как (48) i P ds, S где – коэффициент пропорциональности;

P – мощность падающего излучения;

– вектор Пойнтинга падающего излучения;

S – площадь чувствительной поверхности фотоприемника.

Поскольку фотоприемники реагируют на электрическую компоненту электромагнитного поля, то вектор Пойнтинга необходимо представить следующим образом [55]:

c E 2e, (49) e 4 где e – единичный вектор;

с – скорость света;

– диэлектрическая – магнитная проницаемость;

E – напряженность проницаемость;

электрического поля световой волны.

Тогда мощность падающего излучения выражается как c E 2 e ds. (50) P e ds 4 S S Пологая, что оптическое излучение падает нормально на плоскость фотоприемника, то выражение мощности можно переписать как c E 2 ds. (51) P ds S S Вектор Пойнтинга является функцией координат (x, y) в плоскости фотоприемника. И его можно представить степенным рядом функции двух переменных 1 2 2 1 y... (52) x y x xy (0,0) 1! x y 2! x 2 y xy В дальнейшем предполагается, что можно ограничиться нулевым приближением ряда (52), тогда фототок (48) дается выражением c c E 2 (0,0) ds (53) i E (0,0) S.

4 S 4 Полученное соотношение отражает известное утверждение о том, что фототок пропорционален квадрату напряженности электрической компоненты светового поля и, как следует из разложения (52), является не всегда корректным.

При регистрации спектра оптического излучения нужно учесть значительную инерционность фотоприемника по отношению к периоду оптических колебаний. И процедура фотодетектирования инерционным фотоприемником описывается безинерционным квадратичным детектированием с последующим временным интегрированием полученного фототока [28].

Учитывая специфику рассматриваемого прибора контроля в форме многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона, спектральное разложение в котором выполняется с помощью набора резонаторов, процесс анализа энергетического спектра оптического сигнала в одном канале можно представить функциональной схемой изображенной на рисунке 19 [59].

Р – резонатор, КД – квадратичный детектор, Инт – интегратор, S() – сигнал на входе спектрометра, Sak(k,t) – комплексный спектр на выходе k-го канала резонаторной системы спектрометра, Gk (k) – энергетический спектр оптического сигнала на выходе k-го канала спектрометра.

Рисунок 19 – Функциональная схема вычисления энергетического спектра оптического сигнала Учитывая, что комплексный спектр пропорционален напряженности электрической компоненты оптического излучения, математическая форма последовательности операций, представленных на рисунке 19, имеет вид:

TR TR TR 2 2 2 * (, t ) dt Pk ( k ) S ak (, t ) S ak (, t )dt, (54) Gk ( ) i (t)dt P ( ) S k k k ak TR TR TR 2 2 где Pk(k) – коэффициент, учитывающий спектральную чувствительность TR фотоприемника для k-го канала;

TR – время интегрирования;

t 0.

При подстановке соотношения (37) в (54) получим TR k k * * i t ( k, ) Bkk ( ) S 0 ( )e it d * K kk (k, ) Bkk ( )S 0 ( )e d Gk ( ) Pk ( k ) dt K kk TR k k (55) TR k k * * ( k, ) Bkk ( ) K kk (k, ) Bkk ( ) S0 ( ) S0 ( )e i ()t d d, * Pk ( k ) dt K kk TR k k где 2k – полоса пропускания резонатора в k – ом канале многоканального резонаторного спектрометра.

Интегрирование по времени в выражении (55) дает:

TR TR ( ) 2 sin i ( ) t (56) e dt.

( ) TR С учетом соотношения (56) выражение (55) примет вид k k * * (k, ) Bkk ( ' ) K kk ( k, ) Bkk ( ) Gk ( ) (k ) Pk (k ) K kk k k (57) TR ( ) 2 sin * S 0 ( ) S 0 ( ) d d.

( ) Дальнейшие выкладки опираются на теорию вытянутых волновых сфероидальных функций, которые являются собственными функциями усеченного преобразования Фурье [20, 21].

Следуя [20, 21], введем безразмерные переменные: =/k, =/k, тогда соотношение (57) примет вид 1 2 sin с( ) * * Gk ( ) ( k ) 2 Pk (k ) K kk ( ) Bkk ( ) S 0 ( )d K kk ( ) Bkk ( ) S 0 ( ) * d, (58) ( ) 1 где с=0,5TRk.

Представим Kkk*() Bkk*() S0*() – в виде суммы вещественной и мнимой части * * * (59) K kk ( ) Bkk ( ) S 0 ( ) Z ( ) iQ ( ) и разложим в усеченный ряд по системе вытянутых волновых сфероидальных функций [21], тогда соотношение (59) примет вид N N (60) Z ( ) iQ ( ) aZ Z ( ) i bQ Q ( ), Z 0 Q где i ( )i - ортогональная система вытянутых волновых сфероидальных функций.

Выбирая N в разложении (60), можно получить нужную степень приближения.

Преобразуем отдельно один из интегралов соотношения (58), учитывая соотношение (60) 2 sin с( ) * * * K kk ( ) Bkk ( ) S0 ( ) d ( ) N 2 sin с( ) N aZ Z ( ) i bQ Q ( ) (61) d ( ) 1 Z 0 Q 1N 1N 2 sin с( ) 2 sin с( ) a Z Z ( ) i bQ Q ( ) d.

d ( ) ( ) 1 Z 0 1 Q Согласно теории вытянутых волновых сфероидальных функций имеет место равенство [20, 21] 2 sin с ( ) (62) ( ) ( ) d, ( ) n где i ( ) - собственные функции интегрального уравнения, т.е. вытянутые волновые сфероидальные функции;

n(с) – собственные значения.

При спектральных измерениях в оптическом диапазоне всегда выполняется условие c1, тогда n(с)1, следовательно 2 sin с( ) (63) ( ) ( ) d.

( ) Иными словами ядро интегрального оператора (63) в этом случае является воспроизводящим ядром.

Согласно соотношению (62), полученный результат в соотношении (61) можно представить как 1N 1 N 2 sin с ( ) 2 sin с ( ) 1 0 d i bQ Q ( ) aZ Z ( ) d ( ) ( ) Z 1 Q (64) N N a Z Z ( ) i bQ Q ( ).

Z 0 Q Выполнив обратные преобразования, получим N N * * * (65) a ( ) i bQ Q ( ) Z ( ) iQ( ) K kk ( ) Bkk ( ) S 0 ( ).

Z Z Z 0 Q Тогда соотношение (61) примет вид 2 sin c( ) * * * * * * d K kk ( ) Bkk ( ) S 0 ( ). (66) ( ) Bkk ( ) S 0 ( ) K kk ) ( Подстановка соотношения (66) в (58) дает 2 2 (67) G k ( ) ( k ) Pk ( k ) K kk ( ) Bkk ( ) S 0 ( ) d.

При обратном переходе от безразмерных переменных к натуральным получаем k 2 2 ( k, ) Bkk ( ) S 0 ( ) d Gk ( ) ( k ) Pk ( k ) K kk k (68) k ( k, ) G ( )d.

W kk k где G() – энергетический спектр анализируемого колебания, отражающий истинное состояние контролируемого процесса горения (математический G()=|S()|2;

Wkk(k,) спектр), – «парциальная» энергетическая k-го аппаратная функция канала многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона.

Из соотношения (68) следует, что «парциальная» энергетическая k-го аппаратная функция канала многоканального резонаторного спектрометра равна 2 (69) Wkk ( k, ) Pk ( k ) K kk ( k, ) Bkk ( ).

Тогда соотношение, описывающее получение энергетического спектра оптического сигнала многоканальным резонаторным спектрометром, запишется следующим образом:

G a1 ( ) W11 (1, ' ) G ( ' ) 0 0 G ( ) G ( ' ) W22 ( 2, ' ) 0 0 a2 d. (70) G ak ( ) Wkk ( k, ' ) G ( ' ) 0 0 Wnn ( n, ' ) G ( ' ) G an ( ) 0 0 Полученное соотношение описывает энергетический спектр в форме его отсчетных значений и устанавливает связь между истинным распределением энергии по спектру (энергетическим спектром), отражающим состояние контролируемого процесса горения, и спектральным распределением энергии по спектру, полученным экспериментально с помощью многоканального спектрометра и дающим информацию получателю о состоянии этого процесса.

Соотношение (70) отражает результат однократного анализа энергетического спектра излучения пламени на промежутке T. После однократного измерения результаты сбрасываются, и начинается следующий цикл измерения. Поэтому, при такой обработке выполняется анализ не текущего спектра, а выборочного спектра, который был введен в предыдущем разделе.

C учетом соотношения (35) диагональную матричную энергетическую аппаратную функцию можно представить как 2 diag kk (k, ) diag{ K kk (k, ' ) } diag{ Bkk ( ' ) } Pk ( k ) W (71) diag Akk ( k, ' ) Pk ( k ), где ||Pk(k)|| – матрица – столбец коэффициентов, учитывающих спектральную чувствительность фотоприемника для каждого канала многоканального резонаторного спектрометра.


Таким образом, многоканальный резонаторный спектрометр оптического диапазона может быть охарактеризован двумя матричными аппаратными функциями: комплексной и энергетической.

Полученное соотношение определяет оценку энергетического спектра излучения пламени, полученную с помощью многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона. Такая оценка в теории статистических измерений считается хорошей [91] и адекватно отражает состояние контролируемого процесса горения.

3.3.2 Методы оценки энергетического спектра оптического сигнала Существует несколько эквивалентных способов получения оценки энергетического спектра [81, 91, 92, 93]:

1. с помощью предварительно определенной оценки корреляционной функции;

2. на базе обработки мгновенного спектра;

3. с помощью метода фильтрации.

В первом случае вычисление оценки энергетического спектра осуществляется на базе теоремы Бохнера. В принципе на базе этой теоремы возможно получение оценки энергетического спектра, как в радиодиапазоне, так и в оптическом диапазоне.

Как уже говорилось, в реальных условиях время измерения спектра ограничено, и обрабатывается единственная реализация. В этом случае функция корреляции для финитных сигналов может быть записана в форме:

(72) R( ) s(t ) s(t )dt.

Основываясь на теореме Бохнера, оценка энергетического спектра финитной реализации дается в виде i (73) G ( ) R ( ) e d, где R ( ) – оценка корреляционной функции.

Аппаратурное получение этой оценки наталкивается на серьезные трудности, поскольку получение функции корреляции является непростой задачей. Поэтому вычисление оценки спектральной функции этим методом не является наилучшим, а в ряде случаев просто неприемлемым.

В оптическом диапазоне этот метод реализуется с помощью Фурье спектрометров и сисамов, где временная корреляционная функция вычисляется с помощью интерферометра Майкельсона.

В дифракционных спектральных приборах оптического диапазона комплексный спектр, зависящий от времени, рассматривается в условиях «протягивания» колебания sR(t) мимо окна r(t). В этом случае действие спектрального прибора описывается как [78] (74) K (, ) exp(i t ) S ( )d.

S M (, t ) В выражении (74) ядро, т.е. комплексная аппаратная функция в форме K (, ) exp(i t ), есть необходимое и достаточное условие вычисления комплексного мгновенного спектра.

Оценка G ( ) энергетического спектра определяется следующим образом:

TR * (75) G ( ) (, t ) S M (, t )dt, S M TR где TR – время обработки реализации случайного процесса.

Как показано в работе [78], соотношение (75) приводится к форме G ( ) CR R(, )G ( )d, (76) где C R const, R() | K () |2 энергетическая аппаратная функция, G () | S () | энергетический спектр колебания s (t ), t (TR / 2, TR / 2).

В случае если:

sin( ) Ta 2, (77) R(, ) ( ) имеет место оценка со спектральным окном Бартлетта [91].

Выражение (76) представляет оценку энергетического спектра оптического излучения при анализе дифракционным спектральным прибором оптического диапазона.

Третий способ способом получения оценки реализуется с помощью метода узкополосной фильтрации [91, 93], и функциональная схема устройства для получения оценки энергетического спектра стационарного случайного процесса на основе этого метода приведена на рисунке 20 [91].

Рисунок 20 – Функциональная схема устройства для получения оценки энергетического спектра методом узкополосной фильтрации.

На вход фильтра (резонатора) подается реализация x(t) случайного стационарного процесса с нулевым математическим ожиданием. После фильтрации колебание xf(t) подвергается квадратичному детектированию и далее интегрированию. При этом усреднение производится на отрезке Т, равном длительности обработки реализации. Фильтр должен обладать постоянной полосой пропускания f отличной от нуля, с центральной частотой f, которую можно изменять в диапазоне анализируемых частот спектра стационарного случайного процесса. Оказывается, что для получения состоятельной оценки энергетического спектра G ( ) необходимо осуществить операцию фильтрации, позволяющую проводить усреднение в пределах некоторой полосы частот.

Таким образом, окончательная оценка G ( ) характеризует усредненную величину x2(t), которая содержит в себе составляющие в полосе частот [ f 0,5f ;

f 0,5f ] и отнесена к ширине полосы f.

Изложенная в работах [91, 93] идея получения оценки энергетического спектра стационарного случайного процесса переносится в рамках данной диссертационной работы для оценки энергетического спектра оптического излучения с помощью многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона [10, 67]. Вместо перестраиваемого фильтра используется набор резонаторов, каждый из которых настроен на определенную частоту.

3.4 Выводы 1. Разработан новый метод бесконтактного параллельного анализа оптических спектров для решения задач контроля процессов горения и схема построения прибора контроля в форме многоканального спектрометра, реализующего этот метод.

2. Специфика разработанного теоретического подхода к анализу оптических спектров потребовала раздельного анализа резонаторной системы многоканального резонаторного спектрометра и всего прибора в целом.

3. Резонаторная система спектрометра рассмотрена как автономная линейная система, и ее исчерпывающая характеристика – аппаратная функция, введена в матричной форме впервые.

4. Получено соотношение в матричной форме, устанавливающее связь между истинным комплексным спектром и получаемым комплексным спектром на выходе резонаторной системы спектрометра.

5. Показано, что результат преобразования комплексного математического спектра в одном канале резонаторный системы многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона совпадает с выражением для текущего спектра функции времени, предложенным в работе Харкевича [50].

6. Выполнен переход от комплексного спектра к энергетическому, поскольку результатом спектрального измерения в оптическом диапазоне является энергетический спектр.

7. Получено основное соотношение теории спектральных измерений в матричной форме, которое устанавливает связь между истинным распределением энергии по спектру, отражающим состояние контролируемого процесса горения, и спектральным распределением энергии по спектру, полученным экспериментально с помощью многоканального спектрометра и дающим информацию получателю о состоянии этого процесса.

8. Показано, что многоканальный резонаторный спектрометр оптического диапазона может быть охарактеризован двумя матричными аппаратными функциями: комплексной и энергетической.

9. Установлено, что специфика измерения спектра оптического сигнала разработанным многоканальным резонаторным спектрометром соответствует способу получения оценки энергетического спектра на основе метода узкополосной фильтрации, который широко известен в теории статистических измерений.

10. Основные результаты данного раздела опубликованы в работах [7] – [9], [32], [59], [67], [81], [83], [85], [94] – [100].

4. Результаты экспериментального исследования 4.1 Аппаратурная реализация прибора контроля в форме многоканального спектрометра оптического диапазона В лаборатории акустооптических устройств обработки информации Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения на основе патента [10] разработан лабораторный макет прибора контроля в форме многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона с передачей анализируемого сигнала по волоконно оптическому жгуту. Детектирующая система спектрометра и блок обработки спектроскопической информации выполнены в одном корпусе и представляют собой приемно-регистрирующий блок. Фотография этого макета приведена на рисунке 21 [32, 98].

1 – формирующая оптика, 2 – волоконно-оптический жгут, 3 – три резонаторных блока, 4 – приемно-регистрирующий блок Рисунок 21 – Лабораторный макет многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона Лабораторный макет многоканального резонаторного спектрометра собран на оптической скамье, в качестве регистратора для отображения спектрометрической информации использовался цифровой осциллограф GDS-840S.

Формирующая оптика выполнена в корпусе цилиндрической формы, который изготовлен из дюралюминия и имеет габаритные размеры 115х мм. Фотография формирующей оптики приведена на рисунке 22.

1 – цилиндрическая оправа входной сферической линзы, которая имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси;

2 – фиксирующая гайка;

– настроечный винт Рисунок 22 – Формирующая оптика Фокусное расстояние линзы F = 103 мм.

Волоконно-оптический жгут состоит из 66 пластикового оптического волокна типа POF (Plastic Optical Fiber). Пластиковое волокно имеет больший диаметр сердцевины, чем кварцевое, что позволяет улучшить эффективность ввода оптического излучения в волокно. Являясь пластиком, волокно меньше подвержено механическим воздействиям. Диаметр сердцевины используемых в волоконно-оптическом жгуте равен 500 мкм, числовая апертура NA = 0,5, а длина оптических волокон равна 2 м. График зависимости коэффициента затухания оптического волокна от длины волны (частоты) приведен на рисунке 23.

Рисунок 23 - График зависимости коэффициента затухания оптического волокна от длины волны Формирующая оптика и волоконно-оптический жгут образуют волоконно-оптическую систему, используемую для ввода анализируемого излучения в резонаторные блоки, и удаления спектрометра на нужное расстояние от источника анализируемого излучения, т.е. очага горения.

Применение волоконно-оптического жгута позволяет передать в резонаторные блоки большую энергию анализируемого излучения, что улучшает чувствительность спектрометра.


Резонаторный блок выполнен в виде полого цилиндра из дюралюминия, в котором последовательно установлены в оправах из такого же материала первая коллимирующая линза, резонатор оптического диапазона и вторая коллимирующая линза. Внешний диаметр цилиндра равен 39 мм, внутренний – 30 мм, а его длина равна 82 мм. Перед первой коллимирующей линзой на ее фокусном расстоянии в канале анализа спектра установлен держатель торца оптического волокна.

Фотография резонаторного блока приведена на рисунке 24.

Рисунок 24 – Резонаторный блок Выходные торцы волоконно-оптического жгута помещаются в держатели. Выполненный из дюралюминия держатель выходных торцов волоконно-оптического жгута изображен на рисунке 25. Внешний диаметр держателя выходного торца равен 30 мм, внутренний – 5 мм, его длина равна 10 мм.

Рисунок 25 – Держатель торца волоконно-оптического жгута На рисунке 26 изображены резонаторы оптического диапазона (узкополосные интерференционные оптические фильтры) со средними длинами волн равными 460 нм, 530 нм и 680 нм соответственно. Диаметр оптических резонаторов равен 20 мм, толщина резонаторов на 530 нм и нм равна 6 мм, толщина резонатора на 460 нм составляет 4 мм.

Рисунок 26 –Резонаторы оптического диапазона Для установки резонаторов в резонаторные блоки были выполнены специальные оправы из дюралюминия.

Спектральные характеристики резонаторов оптического диапазона представлены на рисунках 27, 28 и 29. Эти характеристики были предоставлены фирмой – производителем.

460 нм T, % 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 длина волны, нм Рисунок 27 – Спектральная характеристика резонатора со средней длиной волны равной 460 нм 530 нм T, % 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 длина волны, нм Рисунок 28 – Спектральная характеристика резонатора со средней длиной волны равной 530 нм 680 нм T, % 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 длина волны, нм Рисунок 29 – Спектральная характеристика резонатора со средней длиной волны равной 680 нм В лабораторном макете использовались резонаторы оптического диапазона, изготовленные фирмой «ФОТООПТИК». Данные резонаторы относятся к низкой ценовой категории, поэтому имеют относительно широкую полосу пропускания, что не позволяет получить высокого разрешения.

В настоящее время производители резонаторов оптического диапазона выпускают широкую номенклатуру резонаторов (узкополосных интерференционных оптических фильтров) с достаточно узкой полосой пропускания и в широком диапазоне длин волн. При необходимости можно разработать резонатор с шириной пропускания 1 нм и менее для любой длины волны в ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном диапазонах.

Номенклатура интерференционных узкополосных оптических фильтров видимого диапазона, выпускаемых фирмой Omega Optical, Inc [101] представлена в приложении 2.

В качестве согласующих элементов используются коллимирующие линзы с фокусным расстоянием равным 35 мм. Оправы для линз также были выполнены из дюралюминия. На рисунке 30 изображена фотография коллимирующей линзы в оправе и без оправы, соответственно.

Рисунок 30 – Коллимирующая линза Фотография приемно-регистрирующего блока представлена на рисунке 31.

Рисунок 31 – Приемно-регистрирующий блок Задача приемно-регистрирующего блока состоит в детектировании оптических сигналов и дальнейшей их обработке для каждого канала многоканального резонаторного спектрометра, а также отображении спектроскопической информации в воспринимаемом оператором виде на осциллографе.

Структурная схема приемно-регистрирующего блока приведена на рисунке 32.

Ф – фотоприемники, ВУ – входные усилители, МП – мультиплексор, У – усилитель, БУ – блок усиления, МК – микроконтроллер, ШУ – шина управления мультиплексором Рисунок 32 – Структурная схема приемно-регистрирующего блока В данном блоке предусмотрена как ручная регулировка коэффициента усиления для компенсации искажений уровней сигналов, поступающих с фотоприемников каждого канала анализа спектра, так и автоматическая регулировка [32, 98]. Искажения уровней сигналов возникают в результате неравномерностей характеристик оптического волокна, резонаторов и Pk(k), фотоприемников. Эта регулировка учитывает коэффициенты Kkk(k,), Bkk() в выражении (68).

Ручная регулировка предусмотрена у входных усилителей, которые усиливают сигнал, поступающий непосредственно с выходов фотоприемников. Заданный коэффициент усиления, для каждого канала, выставляется единожды при настройке оператором.

Автоматическая регулировка коэффициентов усиления предусмотрена в блоке усиления, который усиливает сигнал, поступающий с мультиплексора.

Перед измерением производится автоматическая калибровка устройства, причём анализируется каждый канал для исключения погрешностей измерения. Процесс калибровки автоматизирован, и для осуществления данной операции достаточно подать излучение одинаковой интенсивности и перевести устройство в режим калибровки. После считывания уровней на каждом канале микроконтроллер устройства вычислит коэффициенты, необходимые для компенсации разброса параметров элементов, входящих в состав устройства, и будет их учитывать в дальнейшем при работе в нормальном режиме. Следует заметить, что калибровку устройства желательно проводить с максимальным коэффициентом усилением усилителя. Объясняется это тем, что благодаря усилению, вносимому этим усилителем, общая крутизна преобразования возрастает (на макете — в 26 раз), следовательно, и разница относительных неравномерностей будет так же увеличена, что при ограниченном разрешении АЦП микроконтроллера означает увеличение точности калибровки. В устройстве применены фотоприемники фирмы SILONEX SLSD-71N200 с интегральным встроенным усилителем. Такие фотоприемники упрощают конструкцию и избавляют от применения дополнительных усилителей в устройстве. Кроме того, для их питания необходимо напряжение 5 В, что совпадает с напряжением питания микроконтроллера.

Приемно-регистрирующий блок работает следующим образом:

сигналы от фотоприёмников, величина каждого из которых зависит от интенсивности излучения на данной частоте (длине волны), поступают на входные усилители с ручной регулировкой коэффициентов усиления. После усиления сигналы от входных усилителей поступают на входы мультиплексора CD4067. Основой устройства является микроконтроллер ATmega8L. Микроконтроллер последовательно коммутирует посредством шины управления мультиплексором каждый из сигналов на один выход мультиплексора, подключённый к усилителю. Микроконтроллер подает на мультиплексор четырехразрядный двоичный код, четыре разряда обусловлены шестнадцатью каналами мультиплексора. Вход мультиплексора, соответствующий поданному коду, коммутируется на его выход, и сигнал поступает на усилитель. Усилитель построен на базе операционного усилителя, включённого в стандартную схему усиления без инвертирования. Этот усилитель обладает управляемым коэффициентом усиления и служит для грубой установки чувствительности прибора. Его коэффициент усиления по постоянному напряжению от 1 до 26 также задается оператором, только уже в процессе работы. Разрядность АЦП составляет 10 бит, что соответствует 1024 уровням при диапазоне измеряемых напряжений от 0 до 5 В, следовательно шаг преобразования АЦП составляет около 0,005 В при коэффициенте усиления усилителя У равным единице. Также микроконтроллер посылает значение индивидуального для каждого канала коэффициента коррекции в регулируемый первый усилитель блока усиления, задавая его коэффициент усиления. Микроконтроллер изменяет коэффициент усиления этого усилителя при каждом переключении мультиплексора на следующий канал так, что компенсируется искажение сигналов поступающих с фотоприемников. С выхода первого усилителя сигнал поступает на второй регулируемый микроконтроллером усилитель блока усиления. Коэффициент усиления второго усилителя, устанавливаемый микроконтроллером, зависит только от максимального уровня сигналов всех каналов. Если максимальный уровень сигнала превышает допустимую величину, микроконтроллер автоматически уменьшает коэффициент усиления этого усилителя, приводя величину сигнала канала с наибольшим уровнем сигнала из всех к максимально допустимому значению. Если же уровень максимального сигнала какого-то из всех каналов будет много меньше максимально допустимого значения, микроконтроллер автоматически будет увеличивать коэффициент усиления этого усилителя, пока не приведёт значение этого уровня к максимально допустимому значению. Это решение упрощает наблюдение за сигналом, оптимизируя его для более детального считывания информации с фотоприемников. С выхода блока усиления сигнал поступает на вход АЦП микроконтроллера для оцифровки. Микроконтроллер производит обработку этого сигнала и выводит на осциллограф информацию об уровне сигнала каждого канала в виде столбчатой диаграммы.

Для создания блока была подобрана конкретная элементная база, причём за основу был взят микроконтроллер ATmega8L, возможности которого позволяют экономично подойти к реализации устройства с точки зрения, как общего количества использованных компонентов, так и габаритов устройства. Цифровая обработка и считывание данных позволяют избежать флуктуаций, характерных для аналоговых элементов индикации и обработки, но в то же время, микроконтроллер обладает ограниченными скоростными возможностями и точностью. Фотоприемники, использованные для создания блока, избавляют от необходимого применения внешних предусилителей, благодаря интегрированным схемам усиления.

На рисунке 33 представлен алгоритм работы программы, по которой работает микроконтроллер. Программа — важнейшая составляющая правильной работы устройства, так как микроконтроллер является его основой. Программа написана на языке «СИ» в среде компилятора CodeVision AVR, который позволяет составлять различные программы для большой номенклатуры микроконтроллеров AVR.

Начало n= Инициализация нет нет Калибровка? n16? n++ да да Подсчёт Переключение Вывод на калибровочных мультиплексора дисплей данных для канала n на канал n Квантование да n16? n++ нет Переключение Считывание уровня n=0 мультиплексора канала n на канал n Вывод на осциллограф Рисунок 33 – Алгоритм программы микроконтроллера Экспериментальные исследование данного лабораторного макета проведены, и получены предварительные результаты.

4.2 Результаты экспериментального исследования лабораторного макета многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона При проведении экспериментальных исследований лабораторного макета многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона в качестве тестовых источников оптического излучения использовались лампа накаливания и вольфрамовая галогенная лампа.

Изначально в качестве линии передачи анализируемого излучения использовался волоконно-оптический жгут, состоящий из трех многомодовых волокон. Но передаваемой мощности было недостаточно для детектирования сигнала. Впоследствии этот жгут был заменен на волоконно оптический жгут, состоящий из 66 волокон и разделенного на три выходных торца, в результате каждый резонатор оптического диапазона возбуждался не единственным волокном, а с помощью жгута волокон, состоящего из многомодовых волокон, что значительно увеличило чувствительность прибора.

Зависимость чувствительности прибора от количества волокон, используемых в жгуте для передачи анализируемого излучения в отдельный резонатор, была подтверждена экспериментом, в результате которого была установлена зависимость уровня выходного сигнала от количества волокон.

Нормированная гистограмма представлена на рисунке 34.

0, Уровень выходного сигнала 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Кол-во волокон, шт.

Рисунок 34 – Зависимость уровня выходного сигнала от количества оптических волокон в жгуте Затем были измерены значения мощности оптического излучения на выходе функциональных узлов лабораторного макета. Для этого был использован измеритель оптической мощности ПТ2000. Эксперимент проводился для лампы накаливания 60 Вт. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 2 Значения мощности оптического излучения на выходе функциональных узлов лабораторного макета многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона Функциональный узел лабораторного Мощность на выходе макета функционального узла, мВт Формирующая оптика 0, От 0, 04 до 0,05 (в зависимости от Волоконно-оптический жгут канала) Волоконно-оптический жгут + 1,9110- резонаторный блок (с резонатором со средней длиной волны 680 нм) Волоконно-оптический жгут + 1,0510- резонаторный блок (с резонатором со средней длиной волны 530 нм) Волоконно-оптический жгут + 9,5510- резонаторный блок (с резонатором со средней длиной волны 430 нм) Как видно из таблицы 2, по волоконно-оптическому жгуту (одного канала) передано 17% анализируемого излучения, поступившего на общий входной торец жгута, что значительно превышает значение, приведенное в работе [6], где говорится всего лишь о нескольких процентах введенного излучения в оптическое волокно.

Полученная гистограмма на рисунке 34 и результаты, представленные в таблице 2, экспериментально подтверждают, что чувствительность прибора возрастает при применении волоконно-оптического жгута в качестве линии передачи анализируемого оптического сигнала, причем, не приводит к ухудшению его разрешающей способности по сравнению с существующими спектральными приборами, что повышает чувствительность контроля процессов горения на основе предложенного метода.

Перед проведением экспериментальных исследований разработанного лабораторного макета, была экспериментально получена спектральная характеристика металлогалогенной лампы. Для снятия спектральной характеристики использовался спектрометр фирмы Avantes AvaSpec-3648.

Полученная спектральная характеристика лампы приведена на рисунке 35.

Рисунок 35 – Спектральная характеристика металлогалогенной лампы Металлогалогенная лампа использовалась в качестве опорного источника оптического излучения для калибровки прибора. Калибровка необходима для компенсации вносимых искажений оптического сигнала в каждом канале спектрометра. С помощью усилителей с ручной регулировкой усиления, в каждом канале были выставлены определенные коэффициенты усиления.

После калибровки спектрометра по опорному источнику излучения были сняты спектральные диаграммы лампы накаливания и вольфрамовой галогенной лампы.

Фотография оптического излучения, прошедшего фильтрацию, представлена на рисунке 36.

Рисунок 36 - Оптическое излучение, прошедшее фильтрацию Отсчетные значения спектра излучений лампы накаливания и вольфрамовой галогенной лампы, полученные в результате проведенного эксперимента, приведены рисунках 37 и 38.

Рисунок 37 - Отсчетные значения спектра излучения лампы накаливания Рисунок 38 - Отсчетные значения спектра излучения вольфрамовой галогенной лампы Отсчетные значения спектра излучения вольфрамовой галогенной лампы, полученные экспериментально с помощью разработанного прибора контроля, были графически сопоставлены со спектральной диаграммой этой лампы, данной производителем (фирма OceanOptics). На рисунке приведены сопоставленные спектральные характеристики.

Рисунок 39 - Спектральные диаграммы вольфрамовой галогенной лампы Спектральную характеристику вольфрамовой галогенной лампы, предоставленную производителем, можно считать эталонной.

Как видно из рисунка отклонение значения интенсивности анализируемого оптического излучения, полученное экспериментально с помощью разработанного прибора, от эталонного значения для длины волны 460 нм составляет 6 %, для 680 нм – 4%, при условии, что для длины волны 530 нм было принято нулевое отклонение. Отсюда можно сделать вывод, что погрешность разработанного прибора является приемлемой.

Кроме того, было исследовано прохождение оптического излучения (вольфрамовой галогенной лампы) через среду распространения, в качестве которой были использованы оптические стекла: СС-15, ЗС-8 и КС-10.

Оптические стекла были изготовлены фирмой ООО «ФОТООПТИК» и их спектральные характеристики представлены на рисунках 40,41 и 42.

Оптическое стекло СС- T, % 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 100 105 0 0 длина волны, нм Рисунок 40 – Спектр пропускания оптического стекла СС- Оптическое стекло ЗС- T, % 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 100 105 0 0 длина волны, нм Рисунок 41 – Спектр пропускания оптического стекла ЗС- Оптическое стекло КС- T, % 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 100 105 0 0 длина волны, нм Рисунок 42 – Спектр пропускания оптического стекла КС- Спектральные диаграммы вольфрамовой галогенной лампы, полученные разработанным спектрометром при просвечивании оптических стекол, представлены на рисунках 43, 44 и 45.

Рисунок 43 – Спектральная диаграмма вольфрамовой галогенной лампы при просвечивании оптического стекла СС- Рисунок 44 – Спектральная диаграмма вольфрамовой галогенной лампы при просвечивании оптического стекла ЗС- Рисунок 45 – Спектральная диаграмма вольфрамовой галогенной лампы при просвечивании оптического стекла КС- Как видно из эксперимента, полученные спектральные диаграммы вольфрамовой галогенной лампы соответствуют спектрам пропускания оптических стекол. Так, при просвечивании оптического стекла СС-15 сигнал поступал только с одного канала спектрометра, в котором был установлен резонатор со средней длиной волны 460 нм, попадающий в полосу пропускания оптического стекла, в других каналах сигнал отсутствовал (рисунок 43). Причем наблюдалось ослабление сигнала с выхода резонаторного блока примерно на -4,8 дБ, что согласуется со спектром пропускания оптического стекла. При просвечивании оптического стекла ЗС 8 сигнал наблюдался в двух каналах, в которых были установлены резонаторы со средними длинами волн: 460 и 530 нм, уровни сигналов также были снижены на -0,7 дБ и соответствовали спектру пропускания оптического стекла (рисунок 44). Резонатор со средней длиной волны равной 680 нм попадал в полосу блокировки, и сигнал с этого канала отсутствовал.

При просвечивании оптического стекла КС-10, в его полосу пропускания попадал только один резонатор со средней длиной волны – 680 нм, уровень сигнала был ослаблен на – 0,45 дБ (рисунок 45).

Полученные результаты экспериментальных исследований являются обнадеживающими, доказывают работоспособность этого устройства и подтверждают новый метод бесконтактного анализа оптических спектров, основанный на явлении резонанса в n параллельных каналах.

Полученные результаты являются основой при разработке технических средств бесконтактной оптической спектроскопии такого типа для решения задач контроля процессов горения.

4.3 Области возможного применения многоканального резонаторного спектрометра оптического диапазона 4.3.1 Многоканальный спектрометр для решения задач контроля процессов горения Одним из важных направлений химико-физических исследований является изучение процессов горения, где спектроскопические методы признаны наиболее информативными [102]. Изучение процессов горения является актуальным в деле решения глобальной проблемы пожарной и экологической безопасности, в двигателестроении (двигатели внутреннего сгорания, ракетные двигатели) и в теплоэнергетике для оптимизации процессов горения. Экспериментальные исследования процессов горения позволят установить в рамках решения проблемы пожарной безопасности достоверные модели сигналов, генерируемых очагами горения, и помех, на фоне которых эти сигналы действуют, что открывает путь для создания более совершенной аппаратуры раннего и достоверного обнаружения очагов пожара [102]. Поскольку крупные пожары могут приводить к появлению зон экологического бедствия, то исследования процессов горения лежат в русле решения задач экологической безопасности.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.